Төмен температурада жұмыс істеуге арналған металдар

Төмен температурада жұмыс істеуге арналған металдар мен қоспалар

 

1. Металдар мен қоспалардың құрылысы туралы  жалпы мағлұматтар, қасиеттері
2. Металдармен қоспалардың құрлымын зерттеу әдістері.
3. Металдарды техникалық сынау

 

 

         Металл қасиеттерін олардың ерекше  ішкі құрылысы қамтамасыз етеді. Металл атомын нобай түрінде  қарағанда, оң зарядталған ядро  мен оның жан-жағында әртүрлі  қашықтықта айналып тұратын электроннан  тұратын жүйе деуге болады. Бұл  ядроның сыртқы қабаттағы (валенттілік) электрондарды тарту әсері ішкі  қабаттағы электрондардың тарту  әсерімен теңбе-тең. Сондықтан валенттілік  электрондар оп-оңай ажырап, пайда  болатын иондар арасында кедергісіз  барлық бағытта орын ауыстырып, қозғалады. Осы кейбір электрондардың  атомының басқа бөлігімен байланысының  осалдығы металдардың физикалық  және химиялық қасиеттерін қамтамасыз  ететін ерекшелігі болып табылады.

Барлық химиялық элементтер металл және металл емес болып бөлінеді.

Табиғатта 100-ге тарта элемент бар, соның шамамен 80-і - металдар. Барлық металдардың жалпы өзіне тән қасиеттері болады: пластикалық, жоғары электр мен жылу өткішгіштігі, ерекше металдық жылтырлығы, температура жоғарылаған сайын электр кедергісінің артуы және т.б. Бұл қасиеттер заттың металдық күйін сипаттайды.

        Металдардың  жоғары электр өткізгіштігін  әлеует айырмашылығы пайда болғанда, теріс таңбалы полюстен оң  таңбалы полюс бағытында қозғалатын  бос электрондардың бар болғандығымен  түсіндіруге болады. Температура  жоғарылағанда иондардың (атомдардың) тербелісі күшейіп, электрондардың  тік бағытта қозғалуын қиындатады, нәтижесінде электр кедергісі  жоғарылайды. Температура төмендегенде  керісінше болады. Электрондардың  қозғалысы және иондардың тербелісінің  арқасында металл массасында  жылудың тез теңелуі оның жоғары  жылу өткізгіштігін түсіндіреді. Металдардың жоғары пластикалық  қасиеті электрондардың крис- талл  көлемінде бірқалыпты таралуымен  түсіндіріледі.

       Техникалық  таза металдардың беріктік қасиеттері  төмен болғандықтан, машина жасауда, негізінен, олардың қорытпалары пайдаланылады. Темір және оның негізінде алынған қорытпалар шойын мен болат қара металл, ал қалған металдар түсті металдар деп аталады.

Құрылымы мен құрамына байланысты металдардын қасиеттері әртүрлі

болады.

Металдардың механикалык, физикалық, химиялық, гехнологиялық және  пайдалану қасиеттерін ажыратады.

Механикалық қасиеттері

Механикалық қасиеттеріне беріктік, қаттылық, пластикалық қасиеті және серпімділік жатады.

Физикалың қасиеттері

Металдар мен қорытпалардың физикалық қасиеттеріне түсі балқу температурасы, тығыздығы, сызықтық және көлемдік ұлғаю коэффициенті, электр өткізгіштігі мен жылу өткізгіштігі, магниттік қасиеті жатады.

Химиялық қасиеттері.

Металдардың химиялық қасиеттеріне олардың қоршаған орта әсеріне

(қышқыл, сілті, су, ылғал, ауа, газ, жоғары температура т.б.), қарсыласу  қабілеті жатады. Металдар әртүрлі  орта әсеріне бірдей төзімділік  көрсетпейді.

Мысалы, ауадағы оттегі мен ылғалдың әсерінен коррозияға ұшырайды:

болат пен шойын тоттанады, қоланың бетін жасыл түсті мыстың тотығы басады. Болатты ашық отта қыздырса, оның бетінде қақ пайда болады, ал күкірт қышқылына салса, ол ериді. Алтын, күміс, платина суда жоғары төзімділік көрсетеді.

Технологиялық қасиеттері.

Металдардың технологиялық қасиеттеріне оның түрлі әдістермен өңделу қасиеті жатады. Бұл қасиеттерге кесумен өңделу, пісірумен өңделу, қысыммен өңделу (еркін соғумен, прокаттаумен, штамптаумен т.б.), шынығу тереңдігі, сұйық күйінде аққыштығы және шөгуі (сұйық метал қатқанда көлемінің кішірейуі) жатады.

Эксплуатациялық қасиеттері.

Металдардың эксплуатаңиялық қасиеттері олардың нақты бір жағдайлар да жұмыс істей алу қабілетін сипаттайды. Бұл қасиеттерге тозуға төзімділік, антрификциялық қасиет (материалдың төменгі үйкеліс коэффициентін қамтамасыз ету), коррозияға төзімділік, ыстыққа төзімділік, суыққа төзімділік (нөлден -269°С дейінгі температураларда тұтқырлығын сақтау) жатады.

 

Металдармен қорытпалардың құрлымын зерттеу әдістері    Металдар– Электр тоғы мен жылуды жақсы өткізетін, пластикалық қасиеті жоғары, жылтыр заттар. Мұндай қасиеттердің болуы металдардың ішкі құрылымымен байланысты. Металдардың (сынаптан басқа) кристалдық тор көздерінде металл атомдары орналасқан. Олар бір-бірімен металдық байланыспен байланысады. Металдардың иондану энергиясы аз болғандықтан олардың валенттік электрондары оңай бөлініп, бүкіл кристалдың бойында еркін қозғала алады. Сондықтан олардың жиынтығын электрон газы деп те атайды. Су ерітінділеріндегі реакциялар үшін металдың активтілігі оның активті қатардағы орнына байланысты.

Металдардың қаттылығы, температураға төзімділігі күнделікті тәжірибеде шешуші рөл атқарады. Егер шыны хроммен кесілсе, ал цезийді адам тырнағымен-ақ кесе алады. Кейбір металдар жұмсақ (күміс, алтын, т.б.) болғандықтан таза металдардың орнына олардың бір-бірімен құймалары қолданылады. Ең алғаш алынған құймалардың бірі – қола.

Темір мен оның құймалары (шойын, болат) қара металдар, ал қалғандар түсті металдар; алтын, күміс, платина химиялық реактивтергетөзімділігіне байланысты асыл металдар; сумен әрекеттесіп сілті түзетін металдарды сілтілік (Lі, Na, K, Rb, Cs), ал жер қыртысының негізін құрайтындарын сілтілік жер металдар; массалық үлесі 0,01%-дан аспайтындарын сирек металдар деп атайды.

Өнеркәсіптеметалдарды негізінен пирометаллургия,гидрометаллургия және электрметаллургия әдістерімен алады. Металдар электр сымдарын, тұрмысқа қажет бұйымдар (қазан, балға, т.б.) жасауда, т.б. кеңінен қолданылады.

Түсті металдар – темірден басқа барлық металдардың өнеркәсіптік атауы. Физикалық және химиялық қасиеттері мен жер қыртысында орналасу сипатына қарай түсті металдар темір емес металдар деп те аталады.

 

хром

Түсті металдарды:

• жеңіл (алюминий, магний, титан, берилий, литий, т.б.),
• ауыр (мыс, никель, кобальт, қорғасын, қалайы, мырыш, т.б.),
• баяу балқитын (вольфрам, молибден, ниобий, тантал, хром, цирконий, т.б.),
• асыл немесе қымбат бағалы (алтын, күміс, платина және платиндық металдар),
• шашыранды (галий, индий, талий),
• сирек жер (скандий, иттрий лантан және барлық лантаноидтар),
• радиоактивтік (технеций, франций, радий, полоний, актиний, торий, протактиний, уран және басқа трансуран элементтері) деген топтарға бөлуге болады. 
  [1]

Шектеулі мөлшерде өндіріліп, өндіріс саласында салыстырмалы түрде жуырда ғана қолданыла бастаған металдар сирек металдар деп аталады. Оларға барлық сирек, сирек жер және радиоактивтік, баяу балқитын металдардың көпшілігі мен кейбір жеңіл металдарды жатқызады. Түсті металдар мен олардың қорытпаларын өндіруде кентастық шикізатты өңдеуден бастап дайын өнім алуға дейінгі сатысын қамтитын саласын түсті металлургия деп атайды. Оның негізгі тармақтарына алюминийлік, никель-кобальттық, мыс, қорғасын-мырыштық, қалайылық, сирек металдық, вольфрам-молибдендік, титан-магнийлік, сүрмелік, балқыма шпаттық, электродтық, қатты қорытпалық, түсті металдарды өңдеу, арнайы шалаөткізгіштік, екіншілік металлургия жатады. 
Қазақстанда химиялық элементтердің периодтық жүйесіндегі барлық түсті металдар өндіріледі.

Түсті металдар-дың ішіндегі ең көп таралғаны  мыс. Қазақстандағы алғашқы түсті металлургия кәсіпорны 1928 жылы Қарағанды облысында іске қосылды (мыс зауыты). Мыстың Қазақстандағы негізгі кен орындары: Қосқұдық, Милықұдық, Айнакөл, Злато (Жезқазған), Ақтоғай, Бозшакөл (Павлодар), Ақбастау, Құсмұрын (Шығыс Қазақстан), Көлсай (Алматы облысы), т.б. Қазақстан сондай-ақ, мырыш, қорғасын, вольфрам, ванадий өндіруде дүние жүзінде бірінші орынды иеленеді. Еліміздегі түсті металдарды өңдейтін ірі кәсіпорындар:Өскемен титан-магний комбинаты, “Қазмырыш”, “Южполиметалл”, “Қазалтын”, “Майқайыңалтын”, “Кастинг” т.б.;

Химиялық  құрамына қарай көміртекті және легирленген Болат болып бөлінеді. Көміртекті Болаттың құрамында темір мен көміртектен басқа марганец (1%-ке дейін) және кремний (0,4%-ке дейін), сондай-ақ, зиянды қоспалар — күкірт, фосфор, т.б. элементтер болады. Болаттың сапасын жақсарту үшін қорытпа құрамына хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, марганец, кремний, т.б. элементтер қосылады. Мұндай қорытпа легирленген Болат деп аталады.

Сұйық түрінде қорытпа компоненттері көбінесе бір-бірінде шексіз ериді. Бір металл атомдары екінші металл атомдарының арасында бірқалыпты орналасқан, біртекті сұйық ерітінді пайда болады. Жартылай немесе толык ерімеушілік атом диаметрлері мен балқу температураларының үлкен айырмашылығынан болады, ол кейбір металдар арасында, мысалы мыс-корғасын, темір-қорғасын қорытпаларында байқалады.

Бірге кристалданған компоненттер қорытпалардың келесі түрлерін түзуі мүмкін: химиялыққосылыс,қатты ерітінді. механикалық қоспа.

Егер кристалдану кезінде екі компонентте өз кристалдық торларын сақтай алмай, басқа кристалдык тор құрса, онда химиялық қосылыс түзіледі.

Химиялық қосылыстар бір-біріне ұқсамайтын және құүрылымы мен- қасиеті жағынан біраз айырмашылығы бар элементтерден түзіледі. Химиялық қосылыстар құрайтын элементтердің атомдары белгілі бір қатынаста болады. Ол катынасты А В формуласымен көрсетуге болады. Бұл қосылыс оны түзейтін элементтердің кристалдық торынан өзгеше кристалдық тор құрады, сондықтан қасиеті бастапқы элементтерге қарағанда өзгеше, қаттылығы мен морттылығы және электр кедергісі жоғары, балқу температурасы тұрақты. Химиялық қосылысты көбінесе металдар мен металлоидтар түзейді. Мысалы, карбидтер. Металл мен көміртегінің химиялық қосылыстары (темір, хром карбидтері), нитридтер азотпен металдардың химиялық косылыстары (темір, алюминий нитридтері т.б.).

Егер кристалдану кезінде бір компонент өз кристалдық торын сақтап, ал екінші компонент өз кристалдық торын сақтай алмай, оның атомдары бөлек атомдар түрінде бірінші компоненттің кристалдық торында орналасса немесе бірінші компоненттің атомдарын алмастырса, қатты ерітінді түзіледі. Бірінші компонент еріткіш, ал екінші компонент еруші деп аталады. Ерігіш атомдардың еріткіш кристалл торында орналасу түріне байланысты ену қатты ерітіндісі. алмастыру қатты ерітіндісі немесе шегеруші катты ерітіндісі түзіледі.

Ену қатты ерітінділерінде ерігіш компонент атомдары еріткіш компоненттің кристалдық торының атомдарының аралық қуыстарында орналасады (3.1-сурет, а). Ал металдардың кристалдык торларында атомдар бір-біріне жакын орналасқандыктан, олардың арасына өлшемдері өте кіші атомдар ғана ене алады. Өлшемдері кіші атомдар сутегі, азот, көміртегі, бар және тағы да басқа кейбір элементтерде болады. Олар металдармен катты ену ерітіндісін түзеді. Бірақ бұл элементтердің атомдарының өлшемдері каншама кішкене болғанымен, бәрібір металдардың атомаралық куыстарынан үлкенірек болады. Сондықтан ену қатты ерітінділері түзілгенде, кристалдық тордың пішіні өзгеріңкіреп. онда кернеулер пайда болады. Сондықтан ену қатты ерітіндісінің концентрациясы өте төмен болады (1… 2 % шамасында).

Алмастыру қатты ерітінділерінде ерігіш компоненттің атомдары  негізгі металл атомдарының орындарында орналасады. (3.1-сурет, б) Бөтен атомдар еріткіш компоненттің атомдарын тордың кез келген жерінде алмастыруы мүмкін, сондықтан бұл ерітінділерді бейтәртіпті катты ерітінділер  деп атайды.

Егер корытпа — компоненттердің атомдары өлшемдерінің айыр-машылығы 8 %- дан аспаса, олар бір-бірінде ерігіштігі шексіз болатын алмастыру қатты ерітінділерін түзеді.

Мысалы, Сu -Ni, Со, Ni - т.б. Ал егер атом өлшемдерінің айырмашылығы 8…15% болса, онда бір-бірінде ерігіштігі шекті болатын алмастыру қатты ерітінділері түзіледі. Егер атом өлшемдерінің айырмашылығы 15% — дан асса, онда алмастыру қатты ерітіндісі түзілмейді.

Шегеруші қатты ерітінділер кейбір химиялык қосылыстар негізінде түзіледі. Мысалы, химиялық қосылысқа оның формуласының ішінде бар элемент қосылғанда. Бұл жағдайда қосылған элементтің атомдары қосынды торында қалыпты орнына орналасады, ал екінші компоненттің атомдары орналасатын орындар бос қалады. Шегеруші қатты ерітінділер Ni Аl химиялық қосылысқа алюминийді, титан карбидіне титанды қосып балқытқанда түзіледі.

Егер кристалдану кезінде біртекті атомдар арасындағы әсерлесу күші әртекті атомдар арасындағы әсерлесу күшінен көбірек болса, онда қорытпа кристалданғаннан кейін, таза металдардың түйіршіктерінен тұратын механикалық қоспа түзіледі. Әсерлесудің бұл түрі қорытпа түзетін металдардың қасиеттері арасындағы үлкен айырмашылық болғанда орын алады. Бұл жағдайда екі компонент те өз кристалдық торын сақтап қалады.

Механикалық қоспа екі металдан немесе қатты ерітінді мен химиялық қосылыстан түзілуі мүмкін.

 

Металдарды техникалық сынау

Металды морт сыңғыштығын бағалау үшін және критикалық басталуын анықтау үшін сериялық сынаулар